CN112051133B - 用于力学模拟试验的加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于力学模拟试验的加载系统，涉及土木工程技术领域。该方法的一具体实施方式包括：试验容器、反力台座、反力墙、反力框架和作动器；其中，反力墙垂直设置在反力台座上；试验容器设置在反力台座上，且与反力墙抵接，用于容纳受试填充物；多个反力框架采用纵向阵列的排列方式设置在反力台座上；作动器包括设置在反力框架上的水平作动器和/或垂直作动器；水平作动器与反力墙垂直，垂直作动器与反力台座垂直；作动器被设置为可以在驱动部件的驱动作用下向试验容器内的受试填充物施压。该实施方式能够对岩土‑隧道工程在复杂工况条件下的力学行为进行模拟。

Description

用于力学模拟试验的加载系统

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种用于力学模拟试验的加载系统。

背景技术

岩土-隧道工程在国民经济和国防建设中发挥着重要作用。岩土-隧道的开发利用是城市现代化建设中的重要发展方向。岩土-隧道工程具有隐蔽性、震害不易发现、修复困难、破坏后果影响大等特点，一旦遭受破坏将导致重大经济损失，威胁生命安全。因此，亟待对岩土-隧道工程在各种复杂工况条件下的力学行为进行模拟试验。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种用于力学模拟试验的加载系统，能够对岩土-隧道工程在复杂工况条件下的力学行为进行模拟。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种用于力学模拟试验的加载系统，包括：试验容器、反力台座、反力墙、反力框架和作动器；其中，

反力墙垂直设置在反力台座上；试验容器设置在反力台座上，且与反力墙抵接，用于容纳受试填充物；多个反力框架采用纵向阵列的排列方式设置在反力台座上；

作动器包括设置在反力框架上的水平作动器和/或垂直作动器；水平作动器与反力墙垂直，垂直作动器与反力台座垂直；作动器被设置为可以在驱动部件的驱动作用下向试验容器内的受试填充物施压。

可选地，反力框架包括：具有倒L型结构的反力框架一；反力框架一的下端设置在反力台座上、上端与反力墙的上端面抵接；

水平作动器的右端设置在反力框架一的竖直段上，另一端与试验容器抵接，垂直作动器的上端设置在反力框架一的水平段上、另一端与试验容器抵接。

可选地，反力框架包括：具有倒L型结构的反力框架一，以及反力框架二；反力框架一的下端设置在反力台座上、上端与反力墙的上端面抵接；反力框架二垂直设置在反力台座上；

水平作动器的右端设置在反力框架二上，另一端与试验容器抵接，垂直作动器的上端设置在反力框架一的水平段上、另一端与试验容器抵接。

可选地，反力框架还包括：加固框架；加固框架的下端设置在反力台座上，其侧面与反力框架一或反力框架二的竖直段抵接。

可选地，反力台座上沿纵向设置有T型槽，反力框架的下端可拆卸地固定在T型槽内。

可选地，反力框架一的水平段内设置多个水平调节孔，用于调整垂直作动器在反力框架一的水平段上的左右位置。

可选地，反力框架一或反力框架二的竖直段内设置多个竖直调节孔，用于调整水平作动器在反力框架一或反力框架二的竖直段上的上下位置。

可选地，试验容器包括：设置在反力台座上的第一压力板、前压力板挡板和后压力挡板；第一压力板与反力墙平行，前压力板挡板和后压力挡板分别设置在第一压力板的前方和后方、且与反力墙垂直；第一压力板、前压力板挡板和后压力挡板、以及反力墙之间形成用于容纳受试填充物的容纳空间。

可选地，试验容器包括：多块首尾相接的第一压力板；相邻两块第一压力板通过作动器的法兰连接。

可选地，试验容器还包括：设置在第一压力板、前压力板挡板和后压力挡板上方的盖板，盖板与反力墙垂直，用于密封所述容纳空间。

可选地，本发明实施例的加载系统还包括：设置在水平作动器下端的承压板。

可选地，试验容器包括：矩形框架，至少设置在矩形框架的前侧面、后侧面和右侧面的第二压力板，以及试验桩；第二压力板与反力墙之间形成用于容纳受试填充物的容纳空间；试验桩设置于所述容纳空间内，作动器与试验桩抵接。

上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：通过采用纵向阵列的排列方式设计的多个反力框架，以及包括水平作动器和/或垂直作动器的加载系统，能够在试验时根据实际需求使用采用水平作动器和垂直作动器分别加载或者混合加载，对岩土-隧道工程在复杂工况条件下的力学行为进行模拟，实现多维柔性力学模拟试验。

上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明实施例一中用于力学模拟试验的加载系统的示意图；

图2是本发明实施例一中加载系统的一个局部示意图；

图3是本发明实施例一中多个反力框架的排列方式的示意图；

图4是本发明实施例一中反力框架与反力台座的示意图；

图5是本发明实施例一中水平调节孔的示意图；

图6是本发明实施例一中试验容器的示意图；

图7是本发明实施例一中试验容器与作动器的示意图；

图8是本发明实施例二中盖板的示意图；

图9是本发明实施例一中反力台座和反力墙的示意图；

图10是本发明实施例一中作动器的示意图；

图11是本发明实施例一中加载系统的另一个局部示意图；

图12是本发明实施例三中试验容器的矩形框架的示意图；

图13是图12中沿K方向的示意图；

图14是图12中A处的放大示意图；

图15是图12中B处的放大示意图；

图16是本发明实施例三中试验容器的一个示意图；

图17是本发明实施例三中试验容器的另一个示意图；

图18是本发明实施例四中用于力学模拟试验的加载系统的示意图；

图19是本发明实施例四中加载系统的一个局部示意图；

图20是本发明实施例四中加载系统的另一个局部示意图；

图中，10、试验容器；11、第一压力板；12、前压力板挡板；13、后压力挡板；14、盖板；15、矩形框架；151、加强板；152、通孔；16、第二压力板；17、试验桩；20、反力台座；21、T型槽；30、反力墙；40、反力框架；41、反力框架一；42、反力框架二；43、加固框架；44、水平调节孔；45、竖直调节孔；50、作动器；51、水平作动器；52、垂直作动器；法兰53；承压板54；61、伺服电机；62、减速器；63、电动缸；64、力传感器；65、球铰。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

实施例一

图1-7、9-11示出了本实施例中用于力学模拟试验的加载系统。如图1所示，本实施例的加载系统包括：试验容器10、反力台座20、反力墙30、反力框架40和作动器50。

反力墙30垂直设置在反力台座20上，多个反力框架40采用纵向阵列的排列方式设置在反力台座20上，如图1-3所示。试验容器10设置在反力台座20上，且与反力墙30抵接，用于容纳受试填充物，例如各类试验模型、各类土体、其它填充物等。作动器50包括设置在反力框架40上的水平作动器51和/或垂直作动器52；水平作动器51与反力墙30垂直，垂直作动器52与反力台座20垂直；作动器50被设置为可以在驱动部件的驱动作用下向试验容器10内的受试填充物施压。

采用反力墙30与反力框架40相结合的加载设计，反力墙30既可作为竖向加载架，也可以作为水平反力支承构件，也可以作为试验容器的维护结构，实现多功能性。反力墙30的制作材料可以根据实际情况进行选择性设定，例如采用钢筋混凝土。

每个反力框架40上可以设置水平作动器51或垂直作动器52，也可以同时设置水平作动器51和垂直作动器52，每个反力框架40上设置的水平作动器51和/或垂直作动器52的数量可以是一个，也可以是多个。另外，反力框架40的数量也可以根据实际需要进行调整。多个反力框架40采用纵向阵列的排列方式，可以实现模拟现实情况中的多点加载。

在试验过程中，将反力框架40、试验容器10、作动器50等各部件按设计尺寸布置到位。根据试验要求，在试验容器10内放置试验模型、传感器等，填入不同的土体压实。根据试验要求，垂直作动器5 2和水平作动器51可分别加载，也可混合加载。试验结束后，打开试验容器10，清理试验用土。

本实施例通过采用包括水平作动器和/或垂直作动器的加载系统，能够在试验时根据实际需求使用采用水平作动器和垂直作动器分别加载或者混合加载，对岩土-隧道工程在复杂工况条件下的力学行为进行模拟，实现多维柔性力学模拟试验。

本实施例的加载系统可以用于模拟岩土-隧道工程的复杂工况试验，实现如下各项试验功能：岩土疲劳过程试验研究、新建岩土隧道工程对既有工程的影响试验研究、应急情况下临时支护的试验研究、锚固试验研究、不同土质及围压的影响、回填土体的影响试验研究、盾构掘进的影响试验、隧道施工对上部建筑物的影响等。

反力框架40用于安装作动器50，其结构可以根据实际情况进行选择性设定，例如采用单榀钢框架。反力墙30上可以设置多个锚孔，用于固定试验容器或者其它试件。反力框架40可以采用焊接钢结构，由地锚固定在反力台座20上。

可选地，反力框架40包括：具有倒L型结构的反力框架一41，以及反力框架二42，参见图1-3、8和11。反力框架一41的下端设置在反力台座20上、上端与反力墙30的上端面抵接；反力框架二42垂直设置在反力台座20上。水平作动器51的右端设置在反力框架二42上，另一端与试验容器10抵接，垂直作动器52的上端设置在反力框架一41的水平段上、另一端与试验容器10抵接。

反力框架二42的结构可以根据实际情况进行选择性设定，例如，反力框架二42的结构与反力框架一41相同，或者，反力框架二42是仅包括反力框架一41的竖直段的结构。采用两个反力框架分别安装水平作动器51和垂直作动器52，便于分别调整和控制水平作动器51和垂直作动器52的位置、速度和推拉力。

反力框架的数量可以根据实际需要进行调整，多个反力框架可以采用纵向阵列的排列方式，多组排列，以实现模拟现实情况中的多点加载；也可以根据试验需求进行排列。

进一步地，反力框架40还可以包括加固框架43。参见图1-4、7-8和11，加固框架43的下端设置在反力台座20上，其侧面与反力框架一41或反力框架二42的竖直段抵接。加固框架43的结构可以根据实际情况进行选择性设定，例如采用三角形加强筋，或者采用仅包括竖直段的反力框架二42，或者同时采用前述两种结构。在图18-20示出的可选实施例中，同时采用加强筋和仅包括竖直段的反力框架二42作为加固框架43。通过设置加固框架43，能够提高反力框架一41和反力框架二42的安装稳定性，进而提高模拟试验的效果。

实际应用过程中，为了便于调整反力框架40在反力台座20上的位置，可以在反力台座20上沿纵向设置T型槽21，反力框架40的下端可拆卸地固定在T型槽21内。

反力框架一41的水平段内可以设置多个水平调节孔44，用于调整垂直作动器52在反力框架一41的水平段上的左右位置，如图3和5所示。

反力框架一41或反力框架二42的竖直段内还可以设置多个竖直调节孔45，如图3和4所示，用于调整水平作动器51在反力框架一41或反力框架二42的竖直段上的上下位置。

试验容器10用于容纳受试填充物，其结构和形状可以根据实际情况进行选择性设定，例如采用横断面为矩形或椭圆形的箱体结构。本实施例中，如图1和6所示，试验容器10包括：设置在反力台座20上的第一压力板11、前压力板挡板12和后压力挡板13；第一压力板11与反力墙30平行，前压力板挡板12和后压力挡板13分别设置在第一压力板11的前方和后方、且与反力墙30垂直；第一压力板11、前压力板挡板12和后压力挡板13、以及反力墙30之间形成用于容纳受试填充物的容纳空间。采用这种结构的试验容器，能够在满足试验要求的基础上降低试验容器的结构复杂度和质量，降低加载系统的使用成本，且便于安装和拆卸。

试验容器10可以仅包括一块第一压力板11，也可以包括多块第一压力板11。如图6所示，试验容器10包括：多块首尾相接的第一压力板11；相邻两块第一压力板11通过作动器50的法兰53连接。第一压力板11可以采用铝合金板材，以保证一定刚度。采用多块第一压力板11，使得试验容器具有较长的纵向尺寸，能够适用于隧道、排桩等纵向较长的工程结构试验；通过作动器50的法兰53连接相邻两块第一压力板11，能够在简化结构的同时提高试验容器的结构稳定性，防止力学模拟过程中试验容器受力发生变形，提高模拟试验的效果。

本实施例中的试验容器10可以是柔性的承载容器，可以在模拟试验过程中发生变形，适用于多维柔性力学模拟试验。实际应用过程中，加载系统还可以包括：设置在水平作动器51下端的承压板54，如图8所示。采用承压板54，能够将水平作动器51向试验容器10施加的集中力转为面荷载，提高模拟试验的效果。

作动器50用于向试验容器施加模拟力，其结构可以根据实际情况进行设定。在图10示出的可选实施例中，作动器50采用直接电动驱动的方式，包括：伺服电机61、减速器62、电动缸63、力传感器64和球铰65。作动器50也可以称为伺服电动缸，可以实现直线运动的精确速度控制、精确位置控制、和精确的推拉力控制。

实施例二

本实施例的加载系统与实施例一的加载系统基本相同，主要区别在于：试验容器10还包括：设置在第一压力板11、前压力板挡板12和后压力挡板13上方的盖板14，如图8所示，盖板14与反力墙30垂直，用于密封所述容纳空间。采用盖板14，能够防止模拟试验过程中由于受试填充物较软而导致的受试填充物泄露，提高模拟试验的效果。

实施例三

本实施例的加载系统与实施例一或实施例二的加载系统基本相同，主要区别在于：试验容器10的结构不同。

如图12-20所示，本实施例中，试验容器10包括：矩形框架15，至少设置在矩形框架15的前侧面、后侧面和右侧面的第二压力板16，以及试验桩17；第二压力板16与反力墙30之间形成用于容纳受试填充物的容纳空间；试验桩17设置于该容纳空间内，作动器50与试验桩17抵接。第二压力板16可以采用铝合金板材，以保证一定刚度。

可选地，为了进一步提高试验容器的结构稳定性，可以在矩形框架15内设置加强板151，参见图12、14和15。另外，为了提高试验容器的结构稳定性，矩形框架15内还可以设置多根横梁和竖梁。

试验容器10的右侧面可以仅包括一块第二压力板16，如图16所示，也可以包括多块第二压力板16，如图17和18所示。试验容器10的前侧面或后侧面可以仅包括一块第二压力板16，也可以包括多块第二压力板16，如图13和17-20所示。矩形框架15上可以设置通孔152，用于连接多块压力板16。试验容器10的侧面采用多块第二压力板16，使得试验容器具有较长的纵向尺寸，能够适用于隧道、排桩等纵向较长的工程结构试验。

采用包括矩形框架15的试验容器，能够提高试验容器的结构稳定性，防止模拟试验过程中由于试验容器变形，提高模拟试验的效果。通过在矩形框架15的前侧面、后侧面和右侧面的第二压力板16，能够使得容纳受试填充物的容纳空间被第二压力板包围，防止模拟试验过程中受试填充物泄露，提高模拟试验的效果。

实施例四

本实施例的加载系统与实施例一或实施例二或实施例三的加载系统基本相同，主要区别在于：反力框架40的结构不同。

如图18-20所示，本实施例中，反力框架40包括：具有倒L型结构的反力框架一41；反力框架一41的下端设置在反力台座20上、上端与反力墙30的上端面抵接。水平作动器51的右端设置在反力框架一41的竖直段上，另一端与试验容器10抵接，垂直作动器52的上端设置在反力框架一41的水平段上、另一端与试验容器10抵接。采用一个反力框架安装水平作动器51和垂直作动器52，能够简化系统结构，在降低系统成本的同时便于安装和拆卸。

本实施例中，反力框架40还可以包括：加固框架43；加固框架43的下端设置在反力台座20上，其侧面与反力框架一41的竖直段抵接。加固框架43的结构可以根据实际情况进行选择性设定，例如采用三角形加强筋，或者采用仅包括竖直段的反力框架二42，或者同时采用前述两种结构。在图18-20示出的可选实施例中，同时采用加强筋和仅包括竖直段的反力框架二42作为加固框架43。通过设置加固框架43，能够提高反力框架一41的安装稳定性，进而提高模拟试验的效果。

根据本发明实施例的技术方案，通过采用包括水平作动器和/或垂直作动器的加载系统，能够在试验时根据实际需求使用采用水平作动器和垂直作动器分别加载或者混合加载，对岩土-隧道工程在复杂工况条件下的力学行为进行模拟，实现多维柔性力学模拟试验。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于力学模拟试验的加载系统，其特征在于，包括：试验容器（10）、反力台座（20）、反力墙（30）、反力框架（40）和作动器（50）；其中，

反力墙（30）垂直设置在反力台座（20）上；试验容器（10）设置在反力台座（20）上，且与反力墙（30）抵接，用于容纳受试填充物；多个反力框架（40）采用纵向阵列的排列方式设置在反力台座（20）上；

作动器（50）包括设置在反力框架（40）上的水平作动器（51）和/或垂直作动器（52）；水平作动器（51）与反力墙（30）垂直，垂直作动器（52）与反力台座（20）垂直；作动器（50）被设置为可以在驱动部件的驱动作用下向试验容器（10）内的受试填充物施压；

反力框架（40）包括：多个具有倒L型结构的反力框架一（41）；反力框架一（41）的下端设置在反力台座（20）上、上端与反力墙（30）的上端面抵接；

水平作动器（51）的右端设置在反力框架一（41）的竖直段上，另一端与试验容器（10）抵接，垂直作动器（52）的上端设置在反力框架一（41）的水平段上、另一端与试验容器（10）抵接；

反力框架一（41）的水平段内设置多个水平调节孔（44），用于调整垂直作动器（52）在反力框架一（41）的水平段上的左右位置；

反力框架一（41）的竖直段内设置多个竖直调节孔（45），用于调整水平作动器（51）在反力框架一的竖直段上的上下位置。

2.如权利要求1所述的加载系统，其特征在于，反力框架（40）包括：具有倒L型结构的反力框架一（41），以及反力框架二（42）；反力框架一（41）的下端设置在反力台座（20）上、上端与反力墙（30）的上端面抵接；反力框架二（42）垂直设置在反力台座（20）上；

水平作动器（51）的右端设置在反力框架二（42）上，另一端与试验容器（10）抵接，垂直作动器（52）的上端设置在反力框架一（41）的水平段上、另一端与试验容器（10）抵接。

3.如权利要求2所述的加载系统，其特征在于，反力框架（40）还包括：加固框架（43）；加固框架（43）的下端设置在反力台座（20）上，其侧面与反力框架一（41）或反力框架二（42）的竖直段抵接。

4.如权利要求1或2所述的加载系统，其特征在于，反力台座（20）上沿纵向设置有T型槽（21），反力框架（40）的下端可拆卸地固定在T型槽（21）内。

5.如权利要求2所述的加载系统，其特征在于，反力框架二（42）的竖直段内设置多个竖直调节孔（45），用于调整水平作动器（51）在反力框架二（42）的竖直段上的上下位置。

6.如权利要求1所述的加载系统，其特征在于，试验容器（10）包括：设置在反力台座（20）上的第一压力板（11）、前压力板挡板（12）和后压力挡板（13）；第一压力板（11）与反力墙（30）平行，前压力板挡板（12）和后压力挡板（13）分别设置在第一压力板（11）的前方和后方、且与反力墙（30）垂直；第一压力板（11）、前压力板挡板（12）和后压力挡板（13）、以及反力墙（30）之间形成用于容纳受试填充物的容纳空间。

7.如权利要求6所述的加载系统，其特征在于，试验容器（10）包括：多块首尾相接的第一压力板（11）；相邻两块第一压力板（11）通过作动器（50）的法兰（53）连接。

8.如权利要求6或7所述的加载系统，其特征在于，试验容器（10）还包括：设置在第一压力板（11）、前压力板挡板（12）和后压力挡板（13）上方的盖板（14），盖板（14）与反力墙（30）垂直，用于密封所述容纳空间。

9.如权利要求6或7所述的加载系统，其特征在于，还包括：设置在水平作动器（51）下端的承压板（54）。

10.如权利要求1所述的加载系统，其特征在于，试验容器（10）包括：矩形框架（15），至少设置在矩形框架（15）的前侧面、后侧面和右侧面的第二压力板（16），以及试验桩（17）；第二压力板（16）与反力墙（30）之间形成用于容纳受试填充物的容纳空间；试验桩（17）设置于所述容纳空间内，作动器（50）与试验桩（17）抵接。